張波：功率芯片，中國半導體產業崛起的突破口
2020 年“芯長征”半導體高峯論壇在中國蘇區江西贛州召開，旨在依託學界、業界力量，加強產學研交流研討，助力贛州乃至國內半導體產業實現新發展。高峯論壇邀請了行業內重量級嘉賓，以新形勢下的半導體產業發展和特色工藝半導體發展為主題，結合產業前沿技術及發展動態，針對半導體領域行業的熱點難點進行研討交流，為半導體制造及特色工藝的技術創新與持續發展提供合理建議，促進半導體產學研合作和技術成果轉化。
電子科技大學功率集成技術實驗室主任張波教授發表了題為《功率芯片，中國半導體產業崛起的突破口》的主旨演講。張波教授從應用、市場、機遇和挑戰等多個維度對功率芯片進行了深入剖析，並指出功率芯片是中國半導體產業崛起的突破口。
張波教授表示，功率芯片是非常適合發揮我國比較優勢的產業，功率芯片是最有可能率先突破，趕上國際先進水平的細分行業之一。早在 2003 年，中國工程院許居衍院士在吉林華微主辦的功率半導體發展研討會上，就提出功率半導體是最適合中國人發力的領域。
功率半導體是進行功率（電能）處理（管理）的半導體器件。功率半導體的應用十分廣泛，從幾十毫瓦的便攜式設備，到上千兆瓦的高壓直流傳輸過程；從儲能、家電，到 IT 產品、網絡通訊，只要是涉及電的領域，都存在它的身影。
不同功率半導體器件，其承受電壓、電流容量、阻抗能力、體積大小等特性也會不同。實際使用中，需要根據不同領域、不同需求來選用合適的器件。隨着技術的不斷進步，功率半導體器件在不斷演進。自上世紀 80 年代起，功率半導體器件 MOSFET、IGBT 和功率集成電路逐步成為了主流應用類型，同時，SiC 和硅基 GaN 等新材料功率半導體器件最近又得到迅速發展。
由於功率半導體芯片在人類社會的進步中發揮着越來越重要的作用，所以功率半導體芯片的市場規模持續擴大。根據 IHS iSuppli 的數據，功率半導體的市場規模從 2001 年的 115 億美元成長至 2018 年 466 億美元，年均複合成長 8.1%。
全球半導體市場受存儲器芯片價格大起大落的影響而出現波動，但功率半導體整體一直保持平穩發展，且在全球半導體整體市場份額中佔比呈現持續上升趨勢，功率半導體的佔比從 2011 年的 8.27%上升至近年來的 10%左右。
從需求端來看，中國作為製造大國，擁有全球最大的功率半導體市場。據 Yole Development 數據，中國功率半導體市場規模在全球佔比高達 39%，居第一位；從供給端來看，我國僅佔有不足全球 10%的市場份額。如此看來，我國功率半導體呈供需嚴重不匹配的格局，且國內以低端產品為主。究其原因，張波教授認為，這主要是因為系統廠商給國產芯片廠商試錯迭代的機會太少。
同時功率半導體器件研製不僅要考慮器件特性，還有考慮應用環境。要根據應用去設計器件特性，可以稱之為超越器件（More than Devices）。
特色工藝的另一個特點是由於許多特色工藝產品與應用場景密切相關，因此工藝平台繁多、產品種類龐雜，多種工藝平台共存，同一類器件品種還多，英飛凌在功率半導體產品中就有 15 個分類。而在其中的功率 MOS 中就有 2497 個產品，而在 2018 年 11 月是 3315 個產品。而德州儀器在電源管理方面有多達 6983 個產品。
長期以來，集成度的提升靠的是集成電路工藝線寬的縮小，這是一維方向的堅持發展。但隨着線寬的持續降低，半導體工藝發展到納米尺度，帶來無論是建廠成本、工藝研發還是產品研製費用的急劇增加，集成電路工藝技術逐漸從單一追求尺寸依賴的先進工藝，向尺寸依賴的先進工藝（More Moore）、非尺寸依賴的特色工藝（More than Moore）和先進封裝三個維度並舉發展。
尺寸依賴的先進工藝投入巨大，是一個龐大的吞金獸，動輒就是 1、2 百億美元。據報道，台積電在 5nm 節點，將投資 250 億美元發展 5nm 製程，2020 年量產；3nm 項目投資超過 6000 億新台幣，約為 194 億美元，2020 年開始建廠，2021 年完成設備安裝，預計 2022 年底到 2023 年初量產。三星電子對現有的芯片工藝路線圖進行了調整，或直接取消此前用於過渡的 4nm，由 5nm 製程工藝直接上升至 3nm。根據公開市場數據，3nm 芯片的設計費用約達 5-15 億美元，興建一條 3nm 產線的成本約為 150-200 億美元。
而在功率半導體方面，意法半導體最先進的 BCD 工藝也只是 65nm，我國株洲中車所生產出滿足軌道交通應用的 IGBT 芯片的生產線也只是 8 英寸 0.35 微米，這和 7nm、5nm 工藝相比，投資力度小的多，工藝難度也小的多。同時，相對於先進工藝，經過幾代炎黃子孫的努力，我國功率半導體以具備相對良好的產業生態和產業基礎。
功率半導體產品屬於模擬器件範疇，產品性能與應用場景密切相關。也正是因為這種產品屬性，特色工藝產品往往無法形成壟斷企業。即使功率半導體分立器件老大，德國英飛凌公司收購了美國 IR 公司，其市場佔有率也不到 20%，安森美收購了 Failchild，其市場佔有率也只有 9%。全球前十大功率半導體分立器件廠商加起來也只佔據 60%左右的市場。
但由於多種原因，我們看到，在功率半導體分立器件的前十大企業中，沒有一家中國公司，這一方面是我們行業的悲哀，同時也是機遇，是我們國產替代的機遇。40%的市場被其它公司所佔據，功率半導體由於其自有屬性，沒有一家壟斷企業，這就給小企業和後來者留下了足夠的發展空間。
隨着中美科技較量短兵相接，2020 年兩會上人大代表和政協委員關於中國半導體產業發展的提案和建議備受矚目。其中民進中央提交了“關於推動中國功率半導體產業科學發展的提案”引起巨大反響。隨着工業、汽車、無線通訊和消費電子等領域新應用的不斷湧現以及節能減排需求日益迫切，我國功率半導體有龐大的市場需求，容易催生新產業新技術，在國家政策利好下，功率半導體將成為“中國芯”的最好突破口。國家正大力發展的新基建又為功率半導體提供了新的增量空間。
5G 通訊是新基建的重要組成部分，但 5G 基站的能耗是 4G 的 3 倍多，這就對進行能量處理的功率半導體提出了更高需求，5G 基站希望上架、去油、去鉛，這需要大量的高效的功率半導體芯片進行能量管理。智能手機的功能越來越強大，在其變得輕薄的同時，用户希望待機時間更；新能源汽車的一個核心指標就是續航里程，在電池沒有革命性進展以前，功率半導體芯片在手機待機和新能源汽車續航里程改善方面發揮着重要作用。
綜上所述，從市場、產品屬性和產業基礎等多方因素分析，功率芯片將是中國半導體產業崛起的重要突破口。